光学超外差

许多光子微波产生技术背后的基本原理是光学超外差。这涉及在光电探测器上使两个不同波长的光波发生干涉，如图1所示。

图1

两个光波的交变会在光电探测器输出端产生一个电信号，其频率等于两个光波频率之差。这样就可以产生高达太赫兹范围的微波信号，仅受光电探测器带宽的限制。

然而，使用两个自由运行的激光器会产生较高的相位噪声，因为两个激光器的相位波动互不相关。人们已经开发出多种技术来改善光波之间的相位相关性并降低相位噪声。

光注入锁定

如图2所示，光注入锁定使用主激光器对两个从属激光器进行注入锁定。

图2

主激光器以低频调制，产生光边带。然后，两个从属激光器锁定到不同的边带（例如，+2阶和-2阶）。这样会产生两个相位相关的光信号，通过异频合成，可以产生主调制频率整数倍的低相位噪声微波信号。

光相位锁定回路（OPLL）

如图3所示，OPLL通过电子反馈主动将一个激光器的相位锁定到另一个激光器上。

图3

相位检测器将两个激光器之间的拍频信号与参考信号进行比较。产生的误差信号用于控制一个激光器的相位，使其与另一个激光器锁定。这可以产生极低的相位噪声信号，但需要线宽窄且反馈回路短的激光器。

外部调制

另一种方法是对单个激光源进行外部调制，以产生两个用于外差的光学边带。常见的实现方法是使用偏置的Mach-Zehnder调制器（MZM）来抑制光载波和奇次边带，如图4所示。

图4

通过使两个二阶边带发生振荡，可以产生调制频率四倍的微波信号。这种技术具有很好的频率可调性和稳定性。

双波长激光器

双波长激光器可以直接产生两个用于外差的光波长。各种应用已经得到验证：

1. 带有超窄双频滤波器的光纤环形激光器

2. 带有双折射晶体用于波长调谐的固态激光器

3. 多段半导体激光器

虽然简单，但要在两个波长之间实现良好的相位相关性和稳定性可能具有挑战性。

光电子振荡器（OEO）

光电振荡器是一种独特的方法，它直接在混合光电子反馈回路中产生微波信号，如图5所示

图5

连续波激光器经过调制后通过长光纤延迟线传输。经过光检测后，信号被过滤、放大并反馈给调制器。振荡以环路长度和滤波器决定的频率建立。长光纤延迟线提供了高Q值，从而能够产生极低的相位噪声信号。

性能对比

表1总结了不同技术的主要性能特点：

如图6所示，在相位噪声性能方面，OEO和外部调制技术通常能提供最佳结果。

图6

OEO具有极佳的近端相位噪声，但由于长光纤延迟，在较高偏移时会出现杂散模式。外部调制在性能和简易性之间取得了很好的平衡。

先进技术

为了进一步提高性能，人们开发了几种先进技术：

1. 将光注入锁定与OPLL相结合

2. 在微型OEO中使用回音走廊模式谐振器

3. 在OEO中加入可调光子微波滤波器

4. OEO中的倍频

5. 使用锁模激光器的光子微波分频

这些方法可以进一步改善相位噪声、减小尺寸或提高频率可调性。

应用

光子微波产生技术可用于多种应用：

1. 雷达系统—低相位噪声本振

2. 无线通信——高频载波生成

3. 天线遥控——向远程天线站点发送和分配信号

4. 仪器——测试信号生成

5. 射电天文学——接收器的本振

6. 战争系统——电子对抗

光子技术能够通过光纤生成和分配高质量的微波信号，因此对大规模分布式系统而言极具吸引力。

挑战与未来展望

虽然光子微波产生技术具有许多优点，但仍存在一些挑战：

1. 与纯电子解决方案相比，成本和复杂性

2. 在较高偏移频率下实现超低相位噪声

3. 提高长期频率稳定性

4. 减小尺寸和降低功耗

目前的研究正在通过以下技术解决这些问题：

1. 集成光子学应用

2. 新型超高Q值谐振器

3. 混合光子-电子架构

4. 先进的相位噪声降低技术

随着性能不断提高，成本不断降低，光子微波发生器有望在需要高质量微波和毫米波信号的现有和新兴应用中越来越广泛地得到采用。

结论

光子技术能够产生高质量的微波信号，克服了传统电子方法的诸多限制。目前已开发出多种方法，每种方法都有其独特的优势和不足。外部调制和光电振荡器目前拥有一些最佳的整体性能。

持续不断的进步不断突破可实现的频率、相位噪声和可调性的极限。随着技术的成熟，光子微波发生技术有望为雷达、通信和其他需要极其纯净微波和毫米波信号的系统提供新的功能。

对于有兴趣进一步探索这一主题的读者，文中提供的参考资料提供了关于所讨论的各种技术的更深入的信息 [1]。此外，关注从事这一领域工作的公司和研究小组的发展动态，有助于深入了解该领域的最新进展。

参考资料

[1] J. Yao、J. Capmany和M. Li，《微波光子学》。新泽西州霍博肯：Wiley-IEEE出版社，2024年。